2019年, 第59卷, 第5期　
刊出日期：2019-05-15

  

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水利水电工程
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  胶结颗粒料力学行为与声发射信号特征

  王卫, 汪博浩, 赵运天, 潘坚文, 金峰

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 337-344. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.055

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  胶结颗粒料是由胶结流体填充密实堆积颗粒体部分孔隙得到，硬化后的胶结流体限制颗粒的转动和移动，赋予颗粒材料整体性力学行为。该文基于自流可控灌浆技术制备胶结颗粒料试样，其中采用高强度的陶瓷球作为颗粒料骨架，胶结流体为自密实水泥净浆。通过单轴压缩试验研究了胶结基质含量对胶结颗粒料力学行为的影响，同时采用声发射量测系统对试样加载过程进行监测。研究结果表明：胶结颗粒料以脆性破坏为主，峰值前的应力应变曲线可分为压密阶段和线弹性段；峰值后，低胶结量的试样存在应变硬化现象和第二峰值，第二峰值强度远低于材料的峰值强度，随着胶结基质含量的提高，应变硬化现象逐渐消失。胶结颗粒料的峰值强度随胶结基质体积分数线性变化且拟合直线通过原点。压密阶段应变长度随着胶结基质体积分数的增加呈线性增大，而胶结基质体积分数对线弹性段应变长度无明显影响。当胶结颗粒料的胶结基质含量较低时，其声发射信号主要集中在峰值点附近；提高胶结基质含量，声发射信号产生时间前移至线弹性段；进一步增加胶结基质体积分数，声发射事件在压密阶段中期出现，并在线弹性段快速增强后维持在高水平。该研究成果有助于进一步理解胶结颗粒料的力学行为，同时对砂岩、砾岩、堆石混凝土和灌浆胶结砂土也具有重要参考价值。
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  碾压混凝土坝层面抗剪断强度的人工神经网络与模糊逻辑系统预测

  申嘉荣, 徐千军

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 345-353. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.058

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  碾压混凝土坝层面抗剪断强度与其影响因素之间是不确定性和非线性的。该文基于人工神经网络与模糊逻辑系统方法对碾压混凝土坝层面抗剪断强度参数进行预测。将水胶比、胶凝材料含量、粉煤灰掺量、层面处理方式、层面间隔时间作为模型输入参数，抗剪断强度参数f'和c'作为输出参数，考虑室内试验和现场原位试验2种不同情况，建立人工神经网络与模糊逻辑系统预测模型。模型训练与测试结果表明：人工神经网络的预测精度优于模糊逻辑系统，室内试验的预测精度优于现场原位试验。人工神经网络与模糊逻辑系统模型预测值与试验值符合情况均较理想，可以作为层面抗剪断强度的预测方法，为混凝土层面结合性能评估提供依据。
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  牛栏江滇池补水工程取水防沙措施的模拟研究

  章若茵, 吴保生

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 354-363. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.26.057

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  德泽水库是牛栏江滇池补水工程的水源工程。由于入库泥沙偏细及水沙运动规律复杂，导致汛期取水口含沙量或浊度偏高，因而对滇池水环境及瀑布公园和盘龙江水景观带来了较大影响。针对在取水口上游干、支流上修建拦沙坝以及新建分层取水口方案，采用三维水沙数学模型研究了其对降低取水口含沙量的效果。模拟结果表明：新建分层取水口能充分利用含沙量的分层特性，较大程度上提高汛期取水含沙量满足要求的时间，使表层取水浊度有47.0%~62.1%的时间达到小于17.1 NTU的要求，其余时间取水浊度也较低，只有0%~7.6%的时间大于100 NTU。修建拦沙坝能够促进泥沙在拦沙坝以上库区的淤积，降低中层即现有取水口的取水浊度，但降低后的浊度仍然偏高，达标时间占比仅为13.9%~18.5%，与建坝前接近。总体来看，新建分层取水口方案在提高取水含沙量满足要求的时间上较修建拦沙坝方案有明显优势，可作为牛栏江滇池补水工程取水防沙措施的首选方案。
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  长江口影响水资源承载力关键指标与临界条件

  徐志, 马静, 王浩, 赵建世, 胡雅杰, 杨贵羽

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 364-372. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.056

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  中国幅员辽阔，区域气象水文条件差异极大，社会经济发展不均衡，水资源问题极其复杂。因此，需根据不同水文分区，明确区域的水资源问题，识别区域水资源承载力的制约要素，提出物理机制明确且能反映水文机理的影响承载力关键指标及其对应的临界条件。该文以长江口为例，从问题产生的机理出发，识别出入海径流为河口水资源承载力的关键指标和水文要素，提出定值方法，结合动力学模型模拟长江口盐度场，确定长江口抵御咸潮入侵的入海径流的临界条件，以此作为水资源承载力的刚性约束，为不同水文分区展开类似工作提供借鉴。
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  高拱坝河床基岩深槽处理方案

  吕征, 刘耀儒, 程立, 杨强

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 373-379. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.008

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  中国某300 m级高拱坝在河段覆盖层之下存在一条基岩深槽，这使得该拱坝设计面临2种选择：对深槽进行基础回填混凝土处理；或者采用大开挖方式，将坝底高程设计在基岩深槽底部高程。该文建立了该高拱坝基础回填和基础大开挖2种设计方案的三维有限元模型，并基于变形加固理论，分析了2种方案在正常工况和超载下的位移、应力情况及塑性区扩展规律，并以不平衡力和塑性余能范数为评价标准，评价了2种方案的整体安全性。结果表明：2种方案在超载能力和整体稳定性上均达到要求，基础回填方案在坝体位移、应力及整体安全等方面优于大开挖方案。
  
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  考虑全截面剪切的钢闸门宽翼工字形深梁解析计算方法

  吴思远, 王正中

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 380-387. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.055

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  横截面剪切变形对薄壁梁力学特性的影响尤为突出，导致传统设计中所采用的细长梁理论计算结果误差较大。水工钢闸门中，面板兼作主梁翼缘，在高水头下主梁具有短深梁非线性受力特点。该文基于能量变分法综合考虑全截面剪切效应，通过合理选取纵向位移函数及翘曲形函数，推导出工字形梁挠度、弯曲正应力及固有频率解析计算公式，并与有限元及现有解析计算方法进行对比分析。结果表明：当跨高比和跨宽比较小时剪切效应对弯曲正应力影响较大，在集中荷载作用下该现象更为显著。在计算固有频率时，剪切效应使其减小。相比于现有解析方法，该计算结果精度较高，且适用范围更广，可用于结构设计。
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  粗糙面散射对太赫兹雷达成像的影响

  欧湛, 郑小平, 耿华

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 388-393. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.007

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  传统毫米波安检雷达成像基于点目标假设而忽略了散射的影响，但随着频率提升至太赫兹（THz）频段，目标表面应视为粗糙而须考虑散射的影响。该文采用微扰法（SPM）求解粗糙表面的后向散射系数，在传统安检雷达成像模型的基础上模拟了不同粗糙度下的成像结果。通过与Lambert表面和理想镜反射表面的模拟成像结果对比，分析了粗糙度和频率等散射关键参数对太赫兹成像结果的影响。结果表明：在太赫兹安检雷达成像场景下，材料表面后向散射角越宽，成像质量越好；后向散射特性曲线的角宽度和形状共同影响成像分辨率和峰值旁瓣比；提高电磁波频率有利于粗糙表面成像。
  
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  基于FPAA模拟神经网络的快速预测控制算法

  徐祖华, 黄彦春, 陈铭豪, 赵均, 邵之江

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 394-402. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.25.004

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  针对模型预测控制（model predictive control，MPC）优化求解中占用资源较多、实时性较低且实现相对复杂的问题，该文提出了一种基于现场可编程模拟阵列（field programmable analog array，FPAA）模拟神经网络的快速模型预测控制算法。通过FPAA模拟电路来实现基于连续神经网络的二次规划求解，有效规避了离散神经网络的收敛性问题，具有求解速度快、占用资源小、简单易实现的特点；通过平移变换和尺度变换方法，解决FPAA模拟电路的信号限制。最后该文给出了FPAA模拟神经网络预测控制软硬件设计方案并通过实验验证了该算法的有效性。
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  基于梯度特征的分布曲线模型预测控制算法

  王鑫, 徐祖华, 赵均, 邵之江

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 403-408. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.002

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  在分布曲线控制中，传统的积分平方误差指标仅考虑输出曲线与目标曲线的误差面积，忽略了分布曲线的内在特征结构。该文从曲线相似度度量出发，提出了一种基于梯度特征的分布曲线模型预测控制算法。该算法采用B样条模型描述分布曲线对象，基于梯度特征度量曲线相似度，综合曲线数值信息与梯度信息构造优化命题，并通过复合梯形方法对优化命题进行离散化，求解得到最优控制策略。仿真结果表明：该算法可提高曲线切换过程中输出曲线与目标曲线的相似度，实现了曲线形状的自然过渡。
土木工程
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  众包在城市规划中的应用与展望

  万耀璘, 徐晴雯, 廖彬超, 李潇潇

  清华大学学报（自然科学版）. 2019, 59(5): 409-416. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.057

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  合理的城市规划需要公众的参与。众包作为一种新兴的数据获取与分析方式，可以有效地促进公众参与，使城市规划更加科学合理。该文首先从城市规划对公众参与的要求出发，介绍了众包应用的必要性。其次，通过案例总结城市规划中亟需众包应用的环节，并且回顾了现有的众包技术：数据收集、清洗与分析。再次，针对现有的城市规划过程，指出未来可以应用众包的前景：1）与移动终端实时互动发挥数据清洗功能，以便基于更高质量的数据辅助城市规划； 2）以众包数据分析功能集成多元异构的数据，汲取公众反馈作为决策的基础。最后，该文指出政府需要进一步确定基于众包的决策范围与过程，以进一步发挥众包在城市规划中的效用。